汞離子微波鐘技術研究進展

王暖讓易 航薛瀟博張升康

（北京無線電計量測試研究所，計量與校準技術重點實驗室，北京 100039）

1 引言

汞離子微波鐘是空間時頻系統(tǒng)的心臟，其性能指標關乎國家安全和社會科學技術發(fā)展［1-3］，未來可廣泛應用于下一代北斗衛(wèi)星導航、空間站和深空探測等重大領域［4-6］。美國噴氣推進實驗室（JPL）研制的星載汞離子微波鐘日穩(wěn)可達3E-15／1d，體積17L［7］，較傳統(tǒng)星載原子鐘優(yōu)勢明顯。歐空局于2014年斥巨資委托Spectratime 公司開展該頻標的研制［8］。航天二院二〇三所已開展汞離子微波鐘的研制工作，目前已突破大量關鍵技術，完成整鐘閉環(huán)鎖定及指標測試，正在進行集成化和小型化研究［9，10］。

2 系統(tǒng)組成及指標理論計算

汞離子微波鐘主要包括四極離子阱、汞光譜燈及其光路控制系統(tǒng)、緩沖氣體離子冷卻系統(tǒng)及40.5 GHz高穩(wěn)微波源等，其原理框圖如圖1 所示。

圖1 汞離子微波鐘原理框圖Fig.1 Sketch map of mercury ion trapped microwave clock

汞離子微波鐘主要技術特點表現(xiàn)為離子囚禁、緩沖氣體冷卻及汞光譜燈泵浦。其中離子囚禁將離子限制在共振頻率的半波長范圍內(nèi)，可有效降低多普勒效應引起的譜線頻移和增寬；緩沖氣體冷卻可有效降低離子的運動速度，實現(xiàn)大數(shù)目離子云的穩(wěn)定囚禁，相對于激光冷卻結構簡單、易集成；汞光譜燈泵浦相對于激光器泵浦，可以實現(xiàn)小型化、實用化且可靠性高。

根據(jù)Lamb-Dicke 理論，二階多普勒效應是汞離子微波頻標指標受限的主要因素，其主要來源是汞離子在阱中的微運動，經(jīng)計算可得二階多普勒頻移如式（1）：

由式（1）、式（2）可見，二階多普勒頻移與離子囚禁數(shù)量成反比，與囚禁離子溫度成正比。汞光譜燈的性能直接影響離子囚禁的數(shù)量與離子裝載的速度，汞光譜燈指標越高，囚禁數(shù)量越多，裝載速度越快，多普勒頻移越小，汞離子微波頻標的Ramsey線寬越窄，其頻率穩(wěn)定度及準確度指標越高。但由于整個系統(tǒng)非常復雜，各個指標相互之間交叉影響，很難定量計算。

汞離子微波鐘頻率穩(wěn)定度的估算如式（3）所示：

式中：σy（τ）——頻率的阿倫方差；f0——譜線中心頻率；Tc——一次完整的鑒頻周期；SNR——信噪比；Δf——譜線線寬；τ——采樣時間。

據(jù)此計算可得到理論頻率穩(wěn)定度如下：8.3 ×10-14／1 s，8.3 ×10-15／100 s，8.3 ×10-16／10 000 s，日穩(wěn)可進入E-16 量級。

3 關鍵組件設計

3.1 汞光譜燈設計

汞光譜燈主要包括汞發(fā)光泡、高頻激勵源和冷端溫控模塊。汞發(fā)光泡是汞光譜燈發(fā)光的核心部分，發(fā)光泡內(nèi)充汞同位素以及起輝氣體——氬氣，氬氣的含量對抽運譜線194 nm 譜線的強度影響較大。我們通過實驗得到了原子譜線254 nm 和抽運譜線194 nm 發(fā)光強度隨著氬氣氣壓的變化，實驗結果如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，當充入氬氣的氣壓為1 Torr時，抽運譜線194 nm 的相對光強最大。

圖2 輸入功率為15 W，194 nm 和254 nm 譜線強度（相對值）曲線圖Fig.2 Curve of 194 nm and 254 nm spectral line intensities（relative values）with an input power of 15 W

通過TEC 制冷方式對汞光譜燈的冷端進行溫度控制，通過實驗得到抽運譜線194 nm 在不同溫度下的發(fā)光強度，可得到抽運譜線194 nm 光強最強的溫度，其測試結果如圖3 所示?？梢姰斃涠藴囟葹?5 ℃時，抽運譜線194 nm 的發(fā)光強度最大，因此選擇此溫度點作為溫控點。

圖3 不同溫度下194 nm 譜線強度曲線圖Fig.3 Curve of 194 nm spectral line intensity at different temperatures

汞光譜燈實物照片如圖4 所示。外形為邊長50 mm 的正方體，通過躍遷信號測試的反復實驗及調(diào)試，抽運譜線194 nm 的強度達到實驗需求，信號幅度5 萬光子數(shù)左右（采樣時間1 s），優(yōu)于美國JPL汞離子微波鐘的信號幅度。

圖4 汞光譜燈實物圖Fig.4 Picture of mercury lamp

3.2 離子阱設計

汞離子微波鐘的離子阱采用四極阱，阱電極為圓柱形，材料選擇鈦，支撐絕緣材料為陶瓷。對角阱電極各為一組，兩組電極分別加載相位差180°的射頻電壓，形成囚禁馬鞍面，如圖5 所示。四極線型阱在阱內(nèi)部產(chǎn)生的電勢為：

圖5 離子阱電勢圖Fig.5 Electric potential of the ion trap

經(jīng)計算得到離子阱尺寸如下：阱電極的半徑re＝4 mm，阱中心到阱電極表面的距離r0＝10 mm，阱的長度為50 mm，射頻驅(qū)動電壓頻率為1 MHz。

根據(jù)此尺寸進行仿真，電場仿真結果如圖6 所示。離子阱實物如圖7 所示。

圖6 四極線型離子阱的電場仿真結果圖Fig.6 Simulation results of the ion trap

圖7 離子阱實物圖Fig.7 Picture of the ion trap

4 整鐘閉環(huán)實驗研究

汞離子微波鐘的閉環(huán)鎖定示意圖如圖8 所示。閉環(huán)鎖定過程如下：由40.5 GHz 低相噪頻綜通過喇叭向離子阱中心發(fā)射40.5 GHz 的微波信號，與處于譜線低能級的離子相互作用，完成離子數(shù)的反轉，通過熒光探測系統(tǒng)得到不同微波頻率下的光子數(shù)。微波頻率在Ramsey 中心波譜半高寬位置所對應的兩個頻率間進行跳頻，通過Ramsey 中心波譜半高寬位置的光子數(shù)差進行鑒頻。通過物理系統(tǒng)鑒頻后，將得到的誤差信號輸入到控制模塊中，通過運算，得到誤差電壓輸出到高穩(wěn)晶振（如BVA8607-BE），調(diào)整高穩(wěn)晶振的輸出頻率，將其鎖定在物理系統(tǒng)的躍遷譜線上，從而得到中、長期穩(wěn)定度俱佳的汞離子微波頻標。同時高穩(wěn)晶振可輸出一路10 MHz 的微波信號用以測量其頻率穩(wěn)定度、頻率準確度等性能指標。

圖8 閉環(huán)鎖定原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of closed loop locking

按照總體框圖完成系統(tǒng)組裝，首先進行汞離子躍遷信號探測。各參數(shù)設置如下：汞光譜燈電壓12 V，電流1.5 A；囚禁射頻場頻率1.1 MHz，電壓峰峰值為2 000 V；汞爐子電壓為0.6 V，電流為9.5 A；電子槍燈絲電流1.45 A，陽極板電壓為200 V。

找到躍遷信號后，即可進行躍遷譜線探測，在一定范圍內(nèi)，通過掃描微波頻率即可得到汞離子的躍遷譜線。如圖9 所示，直接掃頻線寬1 Hz 左右。

圖9 躍遷譜線示意圖Fig.9 Schematic diagram of the clock microwave resonance signal

閉環(huán)鎖定后，調(diào)整伺服控制環(huán)路參數(shù)，進行測試，頻率穩(wěn)定度指標如圖10 所示。

圖10 頻率穩(wěn)定度測試曲線圖Fig.10 Curve of frequency stability of the clock

5 結束語

介紹了汞離子微波鐘的系統(tǒng)組成，并分析了其理論指標，通過汞光譜燈和離子阱等關鍵組件的設計，完成汞離子微波鐘實驗樣機初步設計，并利用光-微波雙共振實驗得到躍遷信號，利用閉環(huán)鎖定回路實現(xiàn)整機鎖定，完成頻率穩(wěn)定度指標測試，根據(jù)測試曲線可得頻率穩(wěn)定度為5E-13／。汞離子微波鐘是新型微波鐘，較傳統(tǒng)微波鐘具有明顯優(yōu)勢，但是研制難度很大。難點一為抽運頻率處于深紫外波段，國內(nèi)外深紫外光源技術不成熟；難點二為研制過程中缺乏中間檢測手段，難以評估各關鍵組件性能指標。汞離子微波鐘初步完成閉環(huán)鎖定，指標提高空間較大，尤其長穩(wěn)指標仍需要持續(xù)優(yōu)化。后續(xù)在提升指標的同時，進行集成化、小型化設計，盡快實現(xiàn)該鐘的工程化、實用化。